王双在《Advanced Science》上发表论文

高性能、低成本碳捕获材料的开发一直以来都是研究的热点。具有FAU拓扑结构的NaX型分子筛，因其良好的热稳定性、低廉的价格（无有机模板）和高CO₂吸附容量而被广泛用于CO₂捕获。分子筛材料在实际应用时需要从初始的纳米或微米尺寸的粉末聚集成宏观（毫米级）二级结构（例如颗粒状、球型或条型），以满足工业应用的需求。为了克服传统构型吸附剂（或催化剂）的固有缺点，例如受限的质量传递和热量传递、过高的压降和较差的耐磨性，分子筛粉末更期待被设计和加工成具有多级构型的块体分子筛。

3D打印技术能够快速设计和精确制造复杂的几何构型，近年来对建筑、机械、电子、生物医学、能源、分离、催化和环境等领域的发展起到了重要推动作用。目前包括分子筛、MOFs、COFs、多孔碳、多孔陶瓷等一系列多孔功能材料被成功应用于3D打印。然而，受限于3D打印的加工方式，机械性能不足极大的限制了3D打印分子筛吸附剂或催化剂的实际应用。如何有效平衡机械性质、吸附容量和扩散动力学之间的关系是3D打印分子筛块体实际应用面临的一个巨大挑战。

2019年6月，博士生王双为第一作者在《Advanced Science》上发表题为“Fabricating mechanically robust binder-free structured zeolites by 3D printing coupled with zeolite soldering strategy: a superior configuration for CO₂capture”的研究成果。该研究开发了一种简便的“3D打印&分子筛焊接”策略来构筑兼具高机械强度、高CO₂吸附容量和选择性的自支撑多级结构全结晶NaX分子筛块体。在该研究中，我们引入天然埃洛石纳米管（HNTs）作为3D打印墨水添加剂，经过后续水热晶化处理后分子筛块体中独立的NaX分子筛晶粒界面连接处形成了牢固的“分子筛焊接点”，并由此形成了三维相互交联成键的牢固结构，这使得构筑的全结晶NaX分子筛块体的机械强度、扩散动力学、CO₂吸附性能得到进一步的提升。混合气体柱穿透测试结果表明，该3D打印全结晶NaX分子筛块体在烟道气净化、天然气品质提升和沼气提纯等重要应用领域展现出比商业基准分子筛基CO₂吸附剂更优异的性能。新兴3D打印技术与传统水热晶化过程的成功结合为高性能分子筛块体吸附剂或催化剂的构筑提供了新的思路。

Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201901317 第一作者：王双（导师：于吉红院士）